圓礫地層盾構穿越運營鐵路群安全技術措施

楊 洋，繆春遠，李敬余，張 航，劉頁龍，朱開新

（1.中鐵九局集團第四工程有限公司，遼寧 沈陽 110013；2.遼寧工程技術大學土木工程學院，遼寧 阜新 123000）

沈陽地鐵四號線第十七標段在RDK1+547—RDK1+670 里程位置有5 處隧道穿越鐵路線路的工程，風險源等級均為二級。在盾構穿越鐵路橋梁樁基過程中，保證盾構隧道安全順利且能合理地控制鐵路路基沉降和橋梁結構變形在合理的范圍內是本工程擬解決的重點問題之一。盾構隧道掘進施工將引起地層土地反復擾動甚至造成累次疊加引起地表沉降變形[1]。在盾構連續(xù)穿越高鐵橋梁樁基時更容易影響樁基的穩(wěn)定性，甚至產生高鐵路基沉降或者橋梁結構變形，威脅高鐵運營安全[2-3]。潘紅寶等[4]采用有限差分軟件FLAC3D 對有、無隔離樁2 種工況下深基坑開挖施工進行了全過程動態(tài)數(shù)值模擬，研究了深基坑開挖對旁側既有地鐵隧道變形影響及隔離樁的控制效果；何晟亞等[5]采用MIDAS GTSNX 建模分析計算，研究了深圳地鐵12號線和平站主體基坑下穿城際鐵路時無防護措施、隔離樁、旋噴樁土體加固以及隔離樁與旋噴樁聯(lián)合加固措施等4 種工況下地連墻與基坑兩側橋墩的水平位移變化規(guī)律，認為隔離樁與旋噴樁土體改良加固更適用于已有鐵路高價下基坑開挖變形控制。

綜上，國內外學者已經對復雜地質條件下盾構施工參數(shù)進行了分析與研究，在盾構下穿高鐵橋梁樁基變形控制方面取得了豐碩的成果。但TB 10182—2017《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規(guī)程》[6]規(guī)定無砟軌道墩臺位移限值為2 mm，變形控制難度極大，特別是沈陽地鐵四號線第十七標段在RDK1+547—RDK1+670 里程位置曲線半徑為300 m，且穿越地層以圓礫地層為主，面臨施工參數(shù)難確定，施工質量難控制等技術難題。因此，以沈陽地鐵四號線第十七合同段盾構區(qū)間為工程背景，基于盾構土倉壓力理論計算、出土量、同步注漿能力及二次注漿能力及注漿量，分別計算了盾構最大壓力值、盾構出土量、同步和二次注漿參數(shù)等。利用有限元分析軟件MIDAS GTS 建立盾構連續(xù)下穿高鐵橋梁樁基數(shù)值計算模型，研究了盾構穿越施工有無隔離樁時高架橋下地表沉降、橋墩承臺沉降和地表沉降時程演化規(guī)律，為圓礫地層小半徑曲線盾構施工提供了數(shù)據(jù)支撐，具有重要的現(xiàn)實意義和工程應用推廣價值。

1 工程概況

沈陽地鐵四號線第十七合同段停車場出入場線盾構區(qū)間入場線平面線路包括直線段，R=300 m、450 m和800 m 的不同半徑的圓曲線段及緩和曲線段。左線包括直線段，R=1 200 m、300 m、450 m 和800 m 的圓曲線段及緩和曲線段。線路間距為11 m、13 m、20.94 m、33.75 m、15.66 m、9.7 m，如圖1 所示。盾構上部覆土厚度為6.6～21.4 m，穿越土層主要為粗砂、礫砂、圓礫和粉質黏土層。盾構區(qū)間雙線下穿動車入段線、沈丹客專、哈大客專、沈丹上行疏解線、動車出段線，其中入場線在里程RDK1+524.196 進入動車入段線20 m 影響范圍，如圖2 所示。

圖1 工程平面示意圖

圖2 側穿動車入段線21—23 號墩橫斷面圖

2 圓礫地層連續(xù)下穿越既有高鐵盾構參數(shù)

2.1 土倉壓力

土倉壓力按式（1）進行計算。

式（1）中：γw為水的容重，γw=10 kN/m3；h為地下水位高度，h=1.7 m（最淺處0.258 m）；K0為側向土壓力系數(shù)，K0=1-sinφ=0.34；γ為土的容重，γ=19.5 kN/m3。

經計算得，該段土倉最大壓力值為Pmax=116 kPa=1.16 bar。

2.2 推進速度

根據(jù)經驗[7]，圓礫地層穿越既有線路時推進速度v宜控制在40～60 mm/min。

2.3 出土量

每環(huán)理論出土量為LmD2π/4，其中，管片長度L=1.2 m；渣土改良、水、土體密度不均等的系數(shù)m=1.2；盾構外徑D=6.28 m。將取值代入公式得：LmD2π/4=1.2×1.2×6.282×3.14/4=48 m3。

實際出土量按照理論出土量的95%，控制在46 m3，圓礫地層穿越既有線路時，每環(huán)出土量偏差不超過1 m3。

2.4 同步注漿量

盾構掘進1 環(huán)（1.2 m）環(huán)形間隙理論體積按式（2）進行計算。

式（2）中：Q1為環(huán)間隙理論體積，m3；R和r分別為掘進半徑和設計半徑，R=3.14 m、r=3.0 m。

注漿量為環(huán)形間隙理論體積的2 倍。則每環(huán)的注漿量Q2=2×3.24=6.48 m3；每環(huán)同步注漿時間應與掘進時間相同，則每環(huán)注漿時間t=l/v=1.2 m÷0.06 m/min=20 min。在盾構始發(fā)階段該標段注漿壓力控制在0.2～0.3 MPa，在施工過程中根據(jù)掘進情況調整注漿壓力。

2.5 二次注漿

漿液為水泥、水玻璃雙液漿，水泥漿的水灰比為0.8～1.0；水玻璃與水以1∶1.5 進行稀釋；注入時，水泥漿∶水玻璃=1∶1，注漿壓力P=0.3～0.5 MPa。

3 盾構連續(xù)下穿鐵路數(shù)值仿真分析

3.1 數(shù)值模型建立

依據(jù)盾構隧道與動車入段線、哈大高鐵、沈丹客專、沈丹上行疏解線和動車出段線的空間位置關系，利用有限元數(shù)值模擬軟件Midas GTS 建立三維數(shù)值計算模型，如圖3 所示。

圖3 有限元數(shù)值計算模型

為消除邊界效應的影響，模型范圍取隧道結構外不小于5D長度范圍。模型采用雙線先后施工，先施工右線隧道，后施工左線隧道，施工方向均為由北向南掘進。雙線分別為31 步施工完畢，每次施工步掌子面均推進2.4 m，下穿鐵路段左右線施工時間上沒有交叉。

3.2 模型參數(shù)

模型中圓礫地層采用Druck-Prager 理想塑性模型，粗砂和黏土層采用Mohr-Coulomb 模型。高鐵路基鋼軌、軌枕和鐵路橋樁采用1D 結構單元；道床、路基、鐵路橋梁、橋墩和承臺均采用3D 實體單元；盾構管片選取3D 實體單元，管片混凝土彈性模量Esc=0.8E，其中E為混凝土的彈性模量。

3.3 模擬結果分析

3.3.1 高鐵橋下地表沉降

圖4 為有、無隔離樁2 種工況條件下盾構穿越高鐵橋梁樁基施工完成后高鐵橋梁下地表沉降曲線。從圖4 可以看出，隧道施工完成后，無隔離樁時，地表最大沉降量為25.9 mm，出現(xiàn)在11#監(jiān)測點位置，為盾構拱頂?shù)乇沓两当O(jiān)測點。設置隔離樁時，地表最大沉降量為9.97 mm，也出現(xiàn)在11#監(jiān)測點位置。設置隔離樁后地表最大沉降減少159%。這說明采用隔離樁通過隔斷土層破裂面的發(fā)展方向，減小了盾構推進對地表沉降的影響，隔離樁對減輕盾構對橋梁樁基的影響和減小地表沉降具有良好的控制作用。其后變形有一定的隆起，這是因為盾構穿越施工過程中采用同步注漿、二次注漿和多次補漿技術，當盾構穿越時，該測點會引起一定范圍土體的下沉，其后由于注漿補液作用下沉部分土體會產生一定的回彈，所在盾構通過后，地表沉降會產生一定的反彈。施工完成后，無隔離樁時16 號樁基沉降值為6.6 mm，設置隔離樁時地表沉降為7.3 mm，二者相差10.6%。

圖4 高鐵橋下地表沉降

3.3.2 橋墩承臺沉降

設置隔離樁時，在隧道施工完成后，現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬計算得到的各橋墩承臺的最大沉降量如圖5所示。從圖5 可以看出靠近盾構雙線內側的橋墩承臺因為受雙線的影響，其沉降量要大于盾構雙線兩側橋墩承臺的沉降。最大沉降量為0.89 mm，為11 號橋臺，為沈丹上行疏解線對應的中間承臺；最小沉降量為0.26 mm，為9 號橋臺，為哈大高鐵對應的左線外側承臺。其沉降值滿足TB 10182—2017《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規(guī)程》中關于橋梁墩臺頂部豎向位移不得超過2 mm 的規(guī)定。

圖5 各橋墩承臺最大沉降量對比

4 結論

以沈陽地鐵第十七合同段停車場出入場線盾構區(qū)間入場線盾構區(qū)間為工程背景，采用盾構推進參數(shù)理論分析、有限元數(shù)值模擬、現(xiàn)場地表沉降和橋墩承臺監(jiān)測相結合的方法，研究了隔離樁布置、土壓力、推進速度、出土量、同步和二次注漿壓力和注漿量等參數(shù)，主要研究結論如下。

采用試驗段理論計算出了土倉壓力、推進速度、出土量、同步注漿能力和注漿量、二次注漿壓力及注漿量和出渣口閘門防噴涌等盾構推進參數(shù)，給出了試驗段盾構推進參數(shù)及控制措施。

利用有限元數(shù)值模擬軟件MIDAS GTS 建立盾構隧道連續(xù)下穿高鐵橋梁樁基數(shù)值計算模型，研究了有無隔離樁施工時高鐵橋下地表和橋墩承臺沉降規(guī)律。數(shù)值模擬結果表明：設置隔離樁后地表最大沉降減少159%，橋墩承臺最大沉降量為0.89 mm，滿足規(guī)范要求。